工程模拟器信号传输延迟测试与分析

摘要：建立了一种测试机制对某型号的工程模拟器驾驶舱操纵器件与视景系统、运动系统、航电显示系统之间的传输延迟进行测试，并对传输延迟测试进行分析。验证结果表明，工程模拟器的传输延迟符合CCAR60部鉴定准则模拟机相应等级的要求。

关键词：工程模拟器；传输延迟；测试机制

DOIDOI：10.11907/rjdk.151242

中图分类号：TP3-0

文献标识码：A 文章编号：16727800（2015）006003803

作者简介作者简介：陈磊（1984-），男，山东菏泽人，硕士，上海飞机设计研究院工程师，研究方向为工程模拟器研制与应用、飞行仿真技术。

0 引言

工程模拟器为人在回路的飞行半实物仿真平台，通过集成能够形成人感觉的各种物理效应设备[1]，包括视景系统、运动系统、操纵负荷系统等，并建立反映飞机飞行动力学等被控对象的动态特性来实现对真实飞行环境的高逼真模拟。飞行员在工程模拟器中通过操纵驾驶舱控制器件，观察航电显示设备，感受座舱外部视景、运动等来对飞行性能和飞行品质、人机功效、飞机系统特性等进行评价，此外，工程模拟器还可用于对飞行机组的相关培训[2]。

工程模拟器主要由飞行仿真系统、飞控仿真系统、驾驶舱控制器件、运动系统、视景系统、航电系统等组成[3]，工程模拟器工作原理如图1所示。

为保证工程模拟器对飞机及其相关系统模拟的逼真效果，工程模拟器人在回路的仿真必须实时运行[4]，否则工程模拟器模拟建立的飞行环境将会与真实飞机情况产生较大偏差。例如飞行员在工程模拟器操纵驾驶杆时，通过视景获取的视觉图像以及运动系统产生的动感应该与真实飞行相一致，不应产生滞后或者超前的生理反应，否则飞行员将会对飞机的性能和飞行品质产生错误的判断和评价，误导工程设计人员关键控制参数设计，进而影响到飞机的研制。因此，需要确保工程模拟器对飞机及其相关系统模拟的逼真效果，工程模拟器人在回路的仿真必须实时运行，否则工程模拟器模拟建立的飞行环境将会与真实飞机情况产生较大偏差。例如飞行员在工程模拟器操纵驾驶杆时，飞行员通过视景获取的视觉图像以及运动系统产生的动感应该与真实飞行相一致，不应产生滞后或者超前的生理反应，否则飞行员将会对飞机的性能和飞行品质产生错误的判断和评价，误导工程设计人员关键控制参数设计，进而影响到飞机的研制。所以需要确保由计算机、网络、硬件接口、运动系统、视景系统、 显示系统等硬件构建的模拟器飞行环境，其对驾驶舱控制器件的输入信号处理带来的传输延迟时间不会影响模拟器整机的实时运行。

CCAR60部有对飞行模拟机为达到相应鉴定等级所必须满足的信号滞后要求，第60.A.1.3模拟机最低要求条款规定运动系统、视景系统和驾驶舱仪表的相对响应要密切耦合，以提供综合的感觉提示，A级飞行模拟机的响应在飞机开始响应的300ms内，B、C、D级飞行模拟机的响应在飞机开始响应的150ms内。传输延迟是操纵输入和相应硬件（例如仪表、运动系统和视景系统）响应之间的时间，作为满足滞后要求的一种替代方法，可用于演示飞行模拟机系统未超过规定限制。通过阶跃信号的传输来测定经历传输后的全部延迟，阶跃信号传输从驾驶员的操纵开始，经过操纵载荷电子设备，并使用握手协议，按照正确的顺序与全部模拟软件模块交联，最后通过正常输出接口到达仪表显示、运动系统和视景系统。传输延时只需在每个轴上测量一次，与飞行条件无关，不包括模拟航空器自身产生的延迟，应分别在俯仰、滚转、偏航方向上至少各完成一次测试，来演示与飞机滞后响应有关的模拟机滞后响应[5]。

CCAR60部鉴定准则是飞行模拟机达到相应等级标准所必须遵循的规范，工程模拟器目前还没有相应的研制规范与标准，但是在保证飞机仿真的实时性方面，工程模拟器可以参照飞行模拟机的标准来实施。本文建立一种测试机制对某型号的工程模拟器驾驶舱操纵器件与视景系统、运动系统、航电显示系统之间的传输延迟进行测试，并对传输延迟测试进行分析，验证工程模拟器的传输延迟是否符合CCAR60部鉴定准则模拟机相应等级的要求。

1 测试机制

在工程模拟器的操纵器件驾驶杆/脚蹬端施加作用力，当驾驶杆/脚蹬位置发生变化时，将产生电信号经角位移采集电路、硬件接口传输至主控计算机，主控计算机判断触发有效后，将向视景系统发出指令，使视景投影器的输出由黑色变为白色；向航电显示系统发出指令，使得电子飞行仪表显示器输出由黑色变为白色；向运动系统发出指令，使得运动平台纵向向前以5°/s的速度平移。

对于视景系统及航电显示系统而言，将角位移传感器采集并处理后的用于指示驾驶杆/脚蹬位置变化的电平信号以及亮度传感器采集并处理后的用于指示投影器/电子飞行仪表颜色变化的电平信号均输出到示波器中，观察信号在示波器的显示情况。需要说明的是，角位移采集电路内部为分立电子元器件，从驾驶杆/脚蹬变化至角位移采集电路完成转换所产生的延迟相对整个系统的传输延迟可忽略不计，亮度传感器对亮度变化的转换速度相对整个系统传输延迟相比亦可忽略不计，因此通过示波器对两种信号的对比即可得到操纵器件输入到视景显示系统和航电显示系统的传输延迟。

对于运动系统而言，将角位移传感器采集并处理后的用于指示驾驶杆/脚蹬位置变化的电平信号以及运动平台下加速度传感器采集并处理的用于指示运动平台加速度变化的电平信号均输出到示波器中，观察信号在示波器的显示情况。加速度传感器对运动平台加速度变化的转换速度相对整个系统的传输延迟可忽略不计，因此通过示波器对两种信号的对比即可得到操纵器件输入到运动系统的传输延迟。

视景显示系统、航电显示系统、运动系统的传输延迟测试原理如图2、图3、图4所示。

2 测试流程

视景显示系统、航电显示系统、运动系统传输延迟测试流程是一致的，具体测试步骤如下：①将光敏传感器安装于投影器前或者航电仪表显示器前，将加速度传感器安装于运动平台上；②按照设备接口控制文件和传输延迟测试原理框图连接线缆；③配置计算机系统软件和示波器；④操作驾驶杆前后动作，使俯仰通道产生触发信号，记录示波器的测试曲线和测量值；⑤操作驾驶杆左右动作，使滚转通道产生触发信号，记录示波器的测试曲线和测量值；⑥操作脚蹬前后动作，使侧滑通道产生触发信号，记录示波器的测试曲线和测量值。

3 测试结果与分析

按照传输延迟测试的具体步骤进行测试，分别得到视景显示系统、航电显示系统、运动系统的传输延迟测试结果。

将示波器记录的驾驶杆俯仰通道输入至运动系统、俯仰通道输入至视景系统、俯仰通道输入至航电显示系统，其传输延迟测试结果分别如图5、图6、图7所示（图上面的线表示黄色信号，下面的线表示蓝色信号）。

如图5所示，黄色信号为驾驶杆操纵的触发信号，蓝色信号为运动系统的响应信号，软件配置为当驾驶杆操纵信号过中点时运动系统开始响应，因此可以得出驾驶舱俯仰通道至运动系统的传输延迟为73ms。

如图6所示，黄色信号为驾驶杆操纵的触发信号，蓝色信号为视景系统的响应信号，软件配置为当驾驶杆操纵信号开始变化时视景系统开始响应，因此可以得出驾驶舱俯仰通道至视景系统的传输延迟为96ms。

如图7所示，黄色信号为驾驶杆操纵的触发信号，蓝色信号为显示系统的响应信号，软件配置为当驾驶杆操纵信号开始变化时显示系统开始响应，因此可以得出驾驶舱俯仰通道至显示系统的传输延迟为121ms。

以上为驾驶杆俯仰通道分别传输至运动系统、视景系统、航电显示系统的一次传输延迟测试，为了保证测试数据的准确性，对各通道采用多次测试的方法。某型工程模拟器各通道传输延迟测试平均值如表1所示。

4 结语

通过以上测试结果可以得出，某型工程模拟器的视景系统、运动系统、显示系统传输延迟符合CCAR60部D级模拟器传输延迟时间不超过150ms的规定。D级为模拟器鉴定准则中模拟器所能获得的最高级别，符合D级模拟器传输延迟规定了意味着某型模拟器能够满足人在回路实时仿真的基本要求。

参考文献：

[1] 王维翰.民用飞机工程模拟器与训练模拟器的区别[J].软件导刊，2003（1）：15.

[2] 向立学.工程模拟器是现代飞机设计比不可少的工具[J].国际航空，1995（7）：4143.

[3] 王维翰，何大燮.民用飞机飞机模拟器总体技术方案研究[J].上海铁道大学学报，1998（5）：3841.

[4] 王行仁.飞行实时仿真系统及其技术[M].北京：科学出版社，1985.

[5] 中国民用航空总局.CCAR60.飞行模拟设备的鉴定和使用规则[S].北京：中国民用航空总局，2005.